太湖地區有機與常規種植方式下稻麥輪作農田溫室氣體短期排放特征

陳秋會，王 磊，席運官*，田 偉，金 淑，張 弛，李 妍，肖興基

（1.生態環境部南京環境科學研究所，南京210042；2.生態環境部有機食品發展中心，南京210042）

2016 年，全球大氣中CO2、CH4和N2O 的濃度分別為403.3 mg·L-1、1853 μg·L-1和328.9 μg·L-1，分別比工業化前增加45%、157%和22%[1]。IPCC 報告[2]指出農業源溫室氣體排放量占全球人為溫室氣體排放總量的10%～12%，其中CH4和N2O分別占全球人為溫室氣體排放總量的50%和60%，因此農田生態系統中CO2、CH4和N2O 的排放與吸收在全球氣候變化進程中具有重要影響。據《中華人民共和國氣候變化第一次兩年更新報告》，2012 年我國農業活動溫室氣體排放總量由1994 年的6.05 億t 二氧化碳當量升至9.38億t 二氧化碳當量，其中水稻種植溫室氣體排放量為1.78 億t，占農業源溫室氣體排放總量的18.9%；農業源CH4排放總量為2 288.6 萬t，水稻種植CH4排放量占CH4排放總量的37.0%。

近年來，有機農業蓬勃發展。2016 年全球有機農地面積為5 780 萬hm2，我國有機種植面積為230萬hm2，其中稻、麥生產面積為42.3 萬hm2，占總面積的18.4%[3]。由于生產過程和投入品的不同，有機農業與常規農業相比呈現不同的環境效益。研究表明，有機農業在提高土壤肥力、增加生物多樣性和降低農業面源污染等方面有積極作用。國外針對有機農業在溫室氣體減排方面的研究結果表明[4-7]，與常規農業相比，有機農業在一定程度上可減少溫室氣體的排放。然而，研究多采用生命周期評估法，國內外有關有機種植模式下溫室氣體排放特征的研究較少[8-9]。因此，本文通過研究有機種植稻麥輪作農田溫室氣體排放特征，明確種植模式轉變對溫室氣體排放的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗地位于太湖流域江蘇省常州市雪堰鎮萬壽村（120°05′05"E，31°29′24"N），距太湖2 km，所處地形為丘陵谷地。常規與有機種植長期定位對比試驗始于2011 年6 月，土壤類型為水稻土，質地為壤土。試驗前0～20 cm 耕層土壤pH5.13，有機質31 g·kg-1，總氮1.71 g·kg-1，堿解氮164 mg·kg-1，總磷1.17 g·kg-1，有效磷11.5 mg·kg-1，速效鉀76 mg·kg-1。

該地區種植制度為稻麥輪作，水稻耕作方式為常規翻耕，小麥為免耕；供試作物品種水稻為9998-3，冬小麥為揚麥11號。

1.2 試驗設計

野外田間原位觀測試驗時間為2013 年6 月—2014 年6 月。水稻于2013 年6 月19 日移栽，2013 年10 月29 日收獲；小麥于2013 年11 月15 日播種，2014年5月30日收獲。設置3個處理：（1）空白對照（CK）：不施肥，采用當地病蟲草害防治方法；（2）常規種植模式（CF）：在廣泛調查的基礎上，采用當地農民的平均施肥量、施肥方式和病蟲草害防治方法；（3）有機種植模式（OF）：施用和常規組等氮量的有機肥，種植期間全部采用商品有機肥和植物源農藥，不使用任何人工農藥和化肥等，嚴格執行有機產品生產行業標準。每個處理設3 次重復，各試驗小區隨機排列，每個小區30 m2。所用有機肥為“田娘”商品有機肥（含N 1.42%、P2O52.00%、K2O 1.58%）。稻麥輪作期間各處理具體施肥情況見表1。

表1 有機和常規種植模式下的施肥種類和施肥量（kg·hm-2）Table 1 Fertilization application rates of organic and conventional cultivation patterns（kg·hm-2）

1.3 稻麥輪作季水分和氣溫情況

稻麥輪作季降雨總量為644.4 mm，其中稻季為326.2 mm，麥季為318.2 mm。稻季較大的兩次降雨發生在2013 年10 月7 日和10 月8 日，降雨量分別為58.1 mm 和46.3 mm；麥季較大的兩次降雨發生在2014 年4 月12 日和5 月11 日，降雨量分別為48.6 mm和41.8 mm。在整個稻季共灌溉20 次，灌溉水量為1000 mm，每隔3～6 d 灌溉一次，在8 月9 日—9 月2 日土壤保持干濕交替狀態（圖1）。

1.4 溫室氣體采集與分析

2013 年6 月至2014 年6 月進行稻麥輪作農田溫室氣體排放的觀測。CO2、CH4和N2O 3種溫室氣體的采集與分析測定采用靜態箱-氣相色譜監測體系進行。采樣頻率為每周1 次，當土壤水分（如曬田等）及養分（如追肥等）管理發生明顯改變時增加采樣頻率，為每2 d 一次，采樣時間為每日上午8：00—10：00。采樣箱由不透明的PVC 材質制成，底橫截面積為0.25 m2（0.5 m×0.5 m），箱體高度隨作物高度而增加，采樣箱內頂部裝有小風扇以充分混勻箱內氣體。樣地中埋設回字形不銹鋼底座，采樣時將靜態箱放入底座并用水進行液封，罩箱后每隔10 min采一次樣，共4次，抽出混勻的50 mL氣體保存于專用氣袋帶回實驗室分析。

氣體樣品采用Agilent6890D 氣相色譜進行分析測定，CO2和CH4采用火焰離子檢測器（FID）測定，N2O 采用電子捕獲檢測器（ECD）測定，檢測器溫度分別為200 ℃和330 ℃，柱溫為55 ℃；載氣為高純氮氣。

溫室氣體排放量均以排放通量表示，排放通量為正值表示向大氣排放，負值表示吸收。排放通量采用下式計算：

F 為溫室氣體的排放通量，mg·m-2·h-1或μg·m-2·h-1；ρ 為標準狀態下氣體的密度，kg·m-3；H 為采集箱高度，m；dC∕dt 為單位時間內采集箱內氣體的濃度變化量，mL·m-3·h-1或μL·m-3·h-1，T 為采樣箱內平均氣溫，℃。

通過插值法進行累積排放量計算，即：以相鄰兩次監測日的平均通量乘以此期間天數為該段時間的排放量，以此類推，各個時間段的排放量之和即為整個監測期累積排放量。

1.5 溫室氣體增溫潛勢和排放強度的計算

根據CH4和N2O 在100年尺度上的全球增溫潛勢（Global warming potential，GWP）分別為CO2的28倍和265 倍[2]，計算不同處理排放溫室氣體產生的綜合增溫潛勢（kg·hm-2，以CO2當量計）：

GWP=CH4排放量×28+N2O排放量×265

溫室氣體排放強度（Greenhouse gas intensity，GHGI，kg·kg-1）的定義為單位經濟產出的溫室氣體排放量[10]，即單位產量的CO2當量，計算公式為：

GHGI=GWP∕產量

1.6 數據分析

數據分析采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 18.0統計軟件完成，不同處理間顯著性差異的檢驗采用單因素ANOVA方差分析。

2 結果與分析

2.1 有機與常規種植模式下稻麥輪作農田N2O 排放規律

圖1 稻麥輪作期間水分和氣溫情況Figure 1 Situations of precipitation，irrigation and air temperature in rice-wheat rotation system

稻麥輪作期內N2O 排放通量動態如圖2 所示，有機與常規種植模式下稻田N2O 的排放通量整體動態變化趨勢基本一致。在整個水稻生長季，不施肥對照、有機和常規種植下稻田N2O 排放通量變化幅度分別為0～26.42、0～744.56 μg·m-2·h-1和2.40～787.40 μg·m-2·h-1，平均排放通量分別為6.90、82.27 μg·m-2·h-1和91.89 μg·m-2·h-1，有機與常規種植處理間無顯著差異。與對照相比，在基肥和第一次追肥施用后，有機和常規種植下N2O 排放通量有所增加，由于稻田處于淺水層淹水狀態，僅出現小高峰。8 月9 日后水分管理發生變化，稻田呈干濕交替狀態，在8 月13 日第二次追肥后，有機和常規種植下的N2O 排放通量呈脈沖式上升，峰值分別為744.56 μg·m-2·h-1和787.40 μg·m-2·h-1，對照處理也有明顯增加。

小麥季各處理N2O 的排放通量變化規律一致，N2O 排放通量變化范圍為0～248.89 μg·m-2·h-1，有機和常規種植有明顯的N2O 排放。施基肥后N2O 排放通量呈增加趨勢，在12月23日出現一個排放高峰，顯著高于對照，峰值分別為166.68 μg·m-2·h-1和248.89 μg·m-2·h-1；在2 月施追肥后一周內N2O 排放通量達到峰值，尤其是常規種植（75.87 μg·m-2·h-1）；在4 月中旬出現第三個峰值，分別為61.18 μg·m-2·h-1和165.53 μg·m-2·h-1。整個小麥生長季，不施肥對照、有機和常規種植N2O 的平均排放通量分別為7.63、31.70 μg·m-2·h-1和59.22 μg·m-2·h-1。

2.2 有機與常規種植模式下稻麥輪作農田CO2排放規律

由圖3可見，整個水稻生育期，不同處理稻田CO2排放變化規律基本一致，整體呈先增加后降低的趨勢，期間存在一定的波動。不施肥、有機和常規處理的CO2排放通量變幅分別為30.72～910.70、10.96～1 407.91 mg·m-2·h-1和17.40～971.66 mg·m-2·h-1，平均值分別為321.34、366.43 mg·m-2·h-1和360.90 mg·m-2·h-1，各處理間無顯著差異。在8 月底各處理CO2排放通量達到峰值，不施肥、有機和常規處理的排放峰值分別為910.70、1 407.91 mg·m-2·h-1和971.66 mg·m-2·h-1；在10 月份，CO2排放較為平緩，排放通量變幅為87.45～381.72 mg·m-2·h-1。

冬小麥生長期間，農田土壤CO2的排放速率主要為正值，是CO2排放的源，表現為前后期排放通量高，中期排放通量低。基肥施用后，有機和常規種植農田CO2排放通量明顯增加，在12月中旬達到整個生育期的峰值，分別為1 698.14 mg·m-2·h-1和827.56 mg·m-2·h-1，之后CO2排放通量降低，并趨于平緩，變化幅度為0～103.81 mg·m-2·h-1。追肥后，有機和常規種植處理農田CO2排放通量開始增加，在4月和5月中旬出現2個CO2排放高峰期，且有機種植排放峰值明顯高于常規種植，之后有所降低。在小麥生長季，有機種植模式下的農田CO2平均排放通量高于常規種植和不施肥對照，均值分別為427.00、250.07 mg·m-2·h-1和83.91 mg·m-2·h-1。

2.3 有機與常規種植模式下稻麥輪作農田CH4排放規律

圖2 稻麥輪作農田N2O排放動態Figure 2 Dynamics of N2O emissions from rice-wheat rotation fields

由圖4 可見，CH4的顯著排放只出現在水稻生長季，總體呈先陡增后緩降的趨勢。在水稻分蘗期、拔節期，根系發達，CH4排放最為強烈，在結實成熟期排放較為微弱，排放通量接近于0。在8月中旬，稻田水落干，土壤中產甲烷菌活動受到抑制，CH4排放通量迅速降低，灌水后CH4排放通量有所增加。在整個水稻生育期，有機種植稻田CH4平均排放通量（6.32 mg·m-2·h-1）高于常規種植（3.62 mg·m-2·h-1），不施肥處理的CH4平均排放通量最低（2.59 mg·m-2·h-1）。在有機種植模式下，稻田CH4排放通量峰值（15.22 mg·m-2·h-1）出現在第一次追肥后，而常規種植模式下的峰值（8.87 mg·m-2·h-1）低于有機種植，且出現在第二次追肥后，不施肥處理峰值（5.77 mg·m-2·h-1）出現時間與常規種植一致，之后CH4排放通量持續下降。

整個冬小麥生長季CH4排放通量顯著低于水稻季，整體表現為CH4排放，在生長初期，基肥的施用使得有機和常規種植農田CH4排放通量明顯高于不施肥對照，在常規種植麥季后期檢測到CH4的吸收（0.006 7 mg·m-2·h-1），對照、有機種植和常規種植農田CH4平均排放通量分別為0.06、0.21、0.20 mg·m-2·h-1。

2.4 稻麥輪作農田溫室氣體排放量及增溫潛勢和產量

稻麥輪作農田各處理溫室氣體排放總量如表2所示。溫室氣體對溫室效應的貢獻采用增溫潛勢作為評價指標。結果顯示，在稻季，有機種植CH4排放量顯著高于常規種植，是常規種植的1.63 倍；而有機種植CO2、N2O 排放量與常規種植的差異未達到顯著水平。有機種植溫室氣體增溫潛勢GWP是常規種植的1.18 倍。有機與常規種植方式下水稻產量無明顯差異，但有機種植溫室氣體GHGI 顯著高于常規種植，為其的1.12倍。

在麥季，與常規種植方式相比，有機種植方式顯著增加了CO2排放總量，而顯著降低了N2O 排放總量，二者CH4排放總量無顯著差異。常規種植溫室氣體GWP 顯著高于有機種植，且有機種植小麥產量是常規種植的1.48倍，二者GHGI差異達顯著水平。

圖3 稻麥輪作農田CO2排放動態Figure 3 Dynamics of CO2 emissions from rice-wheat rotation fields

圖4 稻麥輪作農田CH4排放動態Figure 4 Dynamics of CH4 emissions from rice-wheat rotation fields

表2 稻麥產量和農田土壤溫室氣體排放量與增溫潛勢Table 2 Rice and wheat yields and amounts of GHG emissions and their calculated GWP and GHGI in rice-wheat rotation fields

整個稻麥輪作季，有機種植方式顯著增加稻麥產量、土壤溫室氣體CO2和CH4的排放總量，溫室氣體增溫潛勢GWP較常規種植增加37%，且GHGI顯著高于常規種植。

3 討論

農田生態系統中溫室氣體的排放受施肥、灌溉、耕作方式等農業措施的影響。農田土壤N2O 的產生與排放主要源于土壤氮素的硝化和反硝化作用，施肥作為最主要的農田耕作措施是影響N2O 排放的重要因素。研究表明，由于氮肥分解為氮硝化和反硝化過程提供反應底物，施肥可增強農田N2O 的排放強度[11-12]。與對照相比，在基肥和第一次追肥施用后，有機和常規種植方式下稻田N2O 排放通量有所增加，尤其是常規種植，這主要與化肥中氮的快速分解釋放為硝化和反硝化提供底物有關，然而由于稻田處于淺水層淹水狀態，N2O 排放僅出現小高峰。在8 月13 日第二次追肥，稻田處于干濕交替狀態，有機和常規種植模式下的N2O 排放通量呈脈沖式上升，對照處理N2O 排放通量也有明顯增加；在麥季發現同樣的現象，自2 月中旬起，降雨頻率和降雨量增加，對照處理N2O 排放通量變化幅度較大，有機和常規種植方式下農田土壤在追肥施用后N2O 排放量增加，表明施肥和干濕交替協同作用有利于促進稻田土壤硝化和反硝化作用的發生，釋放更多的N2O。在整個稻麥生長季，有機與常規種植農田N2O 排放總量分別為3.13 kg·hm-2和4.54 kg·hm-2，二者差異顯著，這種差異性主要體現在麥季。麥季常規種植N2O 排放總量（2.67 kg·hm-2）顯著高于有機種植（1.44 kg·hm-2），是有機種植的1.85倍，表明不同種植方式下的氮源形態和氮有效性對N2O 排放有一定的影響，有機種植方式有利于土壤N2O 減排。一方面是由于有機肥較低的速效氮含量使得N2O 排放量較少[13-14]；另一方面是有機肥增加了外源碳，有機碳可固定土壤中的速效氮并促進N2O 轉化為N2的反硝化過程，減少了N2O 的排放[15]。Kramer 等[16]指出，有機種植土壤潛在反硝化菌活性、反硝化速率和效率明顯高于常規種植，N2排放量較高。有研究指出，等氮量有機肥替代化肥措施可有效降低旱地N2O排放[17-19]。

在稻麥輪作季，有機與常規種植方式下農田CO2排放通量動態變化趨勢基本一致，水稻生長中期和小麥生長后期CO2排放通量較高，這主要與水稻和小麥的旺盛生長及較高的氣溫有關。有機與常規種植方式下稻田CO2排放量無明顯差異，而顯著高于對照，表明施肥增加CO2排放，但種植方式的改變對稻田CO2排放無明顯影響，其受水分、氣溫和水稻生長的影響較大。趙崢等[14]指出施肥顯著增加稻田CO2的排放，但化肥與有機肥的影響無顯著差異。有研究顯示，有機肥施用有利于削弱土壤碳釋放對大氣CO2濃度升高的影響，長期施用有機肥條件下土壤碳固定量遠超過釋放量[20]。然而，麥季有機種植方式下的CO2排放總量顯著高于常規種植，分別是對照的2.41倍和1.55倍，這主要是由于有機肥施用使得旱地土壤通氣狀況得到改善，促進土壤微生物活性以及根系的生長和活力[21]，從而顯著提高農田土壤CO2的排放量，這與董玉紅等[22]的研究結果一致。本研究結果顯示有機種植方式在麥季和稻季對CO2排放的影響有所不同，這可能與作物類型、生長期水分和溫度狀況、施肥情況等密切相關。本研究還發現，稻季農田CO2排放量顯著高于麥季，究其原因可能與稻田長期淹水、生長期較高的氣溫、較高的施肥量和生物量有關。蔡祖聰[23]指出，長期淹水處理土壤的CO2排放量顯著高于好氣處理。Ding 等[24]發現，土壤CO2排放量與作物生物量有顯著正相關關系。

本研究中，CH4排放主要集中在稻季，排放量為94.43～195.56 kg·hm-2，占農田周年CH4總排放量的94.67%～97.72%；麥季農田CH4排放量僅為2.20～7.02 kg·hm-2。由此可見，在整個稻麥輪作周期，CH4的排放主要受土壤水分狀況的影響，在麥季由于缺乏有利于CH4產生的厭氧條件，因此不會發生明顯的CH4排放。在稻麥輪作季，有機種植CH4排放量顯著高于常規種植，其中稻季有機種植CH4排放量是常規種植的1.63 倍，而麥季有機種植CH4排放量高于常規種植，但二者差異不顯著，表明種植方式改變對稻季CH4排放的影響更為顯著。CH4的產生是產CH4菌在厭氧條件下還原土壤有機碳的產物[25]，稻季農田處于淹水厭氧狀態，而且有機種植投入有機肥，為產甲烷菌提供可利用的有機碳，因此，稻季有機種植CH4排放量較高，這與趙崢等[14]的研究結果一致。

溫室氣體GHGI 表示實際生產過程中單位產量的作物對氣候變化潛在的影響，經常作為衡量農田溫室效應和經濟效益的一項綜合指標。在稻麥輪作季，稻季溫室氣體增溫潛勢GWP和GHGI顯著高于麥季，主要體現在稻季較高的CH4排放，這與稻季農田淹水密切相關。本研究中稻季有機種植方式下農田土壤溫室氣體GWP 和GHGI 顯著高于常規種植，Qin 等[9]的研究結果顯示，有機稻田在持續淹水時GWP 和GHGI 明顯高于常規稻田，而在間歇灌溉時由于CH4排放量增加，而N2O 排放量減少，從而使得GWP 與常規稻田無明顯差異。因此，通過優化稻田水肥管理措施如間歇灌溉[9]、稻田種養結合[26-27]、施用完全腐熟的堆肥[28]等可減緩稻田溫室效應。在麥季，有機種植方式下農田土壤溫室氣體GWP 和GHGI 顯著低于常規種植，表明有機種植方式有利于麥季農田溫室氣體減排。王宏燕等[8]指出，有機種植對鹽堿土大豆、玉米等旱田的溫室氣體有減排作用。由于稻季較高的增溫潛勢，整個稻麥輪作季有機種植方式下農田土壤溫室氣體增溫潛勢顯著高于常規種植。本研究表明有機種植方式有利于減緩麥季農田溫室效應，而在稻季無明顯優勢。然而，從整個農業生產體系的角度來考慮，常規農業施用化肥和農藥，而有機農業則采用免耕、種植綠肥、施用有機肥等農業措施提高土壤有機碳含量，提高土壤的固碳能力，從而減少溫室氣體的排放，而且減少了化肥、農藥生產過程中的能耗，降低畜禽糞便、秸稈等廢棄物因沒有被資源化利用而帶來的環境風險和溫室效應，由此可見，有機農業生產體系在溫室氣體減排方面具有明顯優勢。

4 結論

（1）在稻麥生長周期內，農田溫室氣體排放通量變化規律主要受水分、氣溫和施肥時間等的影響，有機與常規種植方式下的變化規律基本一致。

（2）有機與常規種植方式下稻季農田溫室氣體排放總量、增溫潛勢GWP和排放強度GHGI顯著高于麥季。

（3）種植方式對水稻和小麥農田溫室氣體排放量有顯著影響，與常規種植方式相比，有機種植方式顯著增加稻季農田溫室氣體排放總量、增溫潛勢和排放強度，而顯著降低麥季農田溫室氣體排放。